Filtrul optic se obţine prin depunerea mai multor straturi pe faţa inferioară a unei fotodiode p-n, aceasta fiind faţa expusă la RO incidentă.
Este realizat chiar în structura fotodiodei, prin modificarea grosimii şi a structurii stratului n şi a multistraturilor realizate prin evaporare.
Nu mai este necesară utilizarea unui filtru integral sau separat.
Se obţin astfel FTB în regiunea 340... 1080 nm, cu o transmisie în bandă > 80 % şi rejecţie în afara benzii de 99, 9 %.
Scade dimensiunea şi creşte raportul semnal / zgomot.
Se folsesc la:
fotodetecţia bidirecţională sau
fotodetecţia simultană a 2 semnale diferite, unul cu partea superioară şi celălalt, filtrat, cu partea inferioară.
Fotodetectoare hibride sau integrate
Conţin o fotodiodă legată cu un AO în schemă de convertor U / I.
Avantaje:
- construcţia compactă şi rigidă,
- zgomot scăzut, datorită firelor scurte de legătură şi substratului cu suprafaţă mică,
- capacitate parazită mică la intrarea preamplificatorului.
AO de intrare sunt cu TEC cu Si, iar pentru creşterea benzii şi sensibilităţii şi scăderea zgomotului se folosesc amplificatoare operaţionale cu TEC cu GaAs.
Circuitul hibrid este acoperit şi sudat în capsulă metalică izolată de circuit şi ecranată faţă de sursele exterioare de tensiuni de zgomot. Capacul ansamblului are o fereastră de sticlă, lentilă, filtru şi montură cu FO.
Se mai folosesc pentru structuri cu diodă laser sau LED în acelaşi ansamblu.
Fototranzistoare
Datorită RO, în joncţiunea colector-bază apare un curent amplificat de tranzistor. Pentru amplificare mare, emitorul se leagă în baza unui tranzistor, formând un fotodarlington (amplificare > 105 dar răspunsul lent).
Tipuri de fototranzistoare:
- cu barieră Schottky,
- unijoncţiune,
- unipolare,
- bipolare din Si sau
- cu heterojoncţiuni.
Cele mai folosite sunt fototranzistoarele bipolare, TECMOS şi TECj din Si.
Fototranzistoarele bipolare din Si cu baza polarizată au 2 intrări:
- optică
- electrică (pentru PSF în regiunea liniară a caracteristicii).
Sensibilitate spectrală: 400…1100 nm, cu un maxim la ~ 850nm.
Fototranzistoarele bipolare din Si cu baza în aer au aceleaşi caracteristici curent-tensiune pentru diferite nivele ale fluxului optic incident.
Curentul de întuneric este 50 nA şi depinde neliniar de fluxul optic. La intensităţi mai mari ale RO, factorul de amplificare trece printr-un maxim şi apoi scade rapid.
Sensibilitate: 10 ... 15 mA/klx.
Fotorezistoare
Sunt numite fotoconductoare.
Au un strat semiconductor omogen de 50...100 m din CdS, PbS, PbSe sau amestecuri de CdS şi CdSe depuse între doi electrozi.
RO determină scăderea neliniară a rezistenţei de la valori mari (106... 109) în lipsa RO, până la valori de zeci de ohmi la nivele mari de iradiere optică.
Se polarizează cu tensiune alternativă sau continuă cu orice polaritate (< sute volţi) şi în urma iradierii la putere optică de W...mW apare un curent.
Variaţia rezistenţei electrice este determinată de efectul fotoelectric intern: când un foton incident trece un electron din banda de valenţă în banda de conducţie peste banda interzisă, creşte conductivitatea semiconductorului.
Dezavantaje:
- răspuns neliniar,
- timp mare de răspuns (zeci - sute ms) şi
- memoria de termen lung.
Caracteristicile I / U sunt simetrice faţă de originea axelor de coordonate, rezistenţa nedepinzând de polaritatea tensiunii.
Fotocurentul variază logaritmic în funcţie de nivelul de RO.
Tuburi fotomultiplicatoare
Sunt tuburi cu vacuum, formate din:
- carcasă din sticlă, ceramică sau metal,
- un fotocatod din material fotoemisiv,
- electrozi cu emisie secundară (dinozi) şi
-un electrod colector, anodul.
Un foton care trece prin fereastra tubului fotomultiplicator (PMT) este absorbit de fotocatod dacă energia sa depăşeşte energia de legătură a materialului fotocatodului. Conform efectului fotoelectric extern, se eliberează un electron care, dacă are energie suficientă scapă în vidul tubului şi este accelerat spre primul dinod de diferenţa de potenţial dintre fotocatod şi primul dinod. După coliziune, energia electronului primar produce un număr de electroni secundari. Aceştia, la rândul lor, sunt acceleraţi spre al doilea dinod, unde se formează alţi electroni. Procesul se repetă până când anodul colectează un nor de electroni (peste un milion), rezultând un curent de semnal la ieşire.
Se folosesc două configuraţii de fotocatozi:
Se folosesc două configuraţii de fotocatozi:
- opac (sau prin reflexie), folosit la PMT laterale şi
- semitransparent (sau prin transmisie), folosit la tuburile fotomultiplicatoare frontale.
Fotocatozii opaci au sensibilitate bună în domeniul UV şi IR.
Fotocatozii semitransparenţi au sensibilitate bună în regiunile albastru şi verde vizibil.
Numărul şi configuraţia dinozilor determină amplificarea, viteza, liniaritatea şi uniformitatea răspunsului.
Tipuri de tuburi fotomultiplicatoare:
Tipuri de tuburi fotomultiplicatoare:
- circular,
- cutie cu grilă (fig.),
- cu focalizare liniară,
- veneţian,
- cu reţea fină,
- placă microcanal (pentru intensificarea semnalului, datorită dimensiunilor mici, rigidităţii, vitezei, liniarităţii şi imunităţii la câmpuri magnetice). Conţine milioane de tuburi capilare paralele. Amplificarea se face prin ciocnirea electronilor de pereţii interiori, din materiale semiconductoare, ai tuburilor capilare.
- canal sau multicanal (pentru preluare de semnale la nivel de pixel, fără interferenţă). Sunt numite PMT multianod sau PMT sensibile la poziţie, cu 64 sau 96 canale.
Dezavantaje:
- posibilitatea defectării la RO mare, datorită saturaţiei norului de e- de la anod,
- fragilitate mecanică şi dimensiuni mari,
- perturbare în câmp magnetic,
- existenţa impulsurilor ecou,
- tensiune mare de alimentare şi
- reţea rezistivă de divizare a tensiunii.
Fotodetectoare termice
Se numesc SOA termici.
Detectează RO răspunzând la creşterea temperaturii după absorbţia energiei RO.
Diferenţa între senzorii optici activi termici şi cei electronici (cuantici) este dată de răspunsul spectral (responsivitatea unui fotodetector la diferite lungimi de undă).
Fotodetectoarele termice au răspuns spectral plat la o gamă mare de λ.
Fotodetectoarele cuantice au o responsivitate care creşte cu λ până la un punct de tăiere caracteristic, unde scade spre zero deoarece energia fotonilor este invers proporţională cu λ şi responsivilatea dă ieşirea electrică a fotodetectorului la o putere optică dată. Responsivitatea creşte cu λ pentru că ieşirea unui fotodetector cuantic este proporţională cu numărul de fotoni incidenţi.
Tipuri de fotodetectoare termice:
termopile,
fotodetectoare piroelectrice,
bolometre,
celule Golay, etc.
Termopile
Are mai multe termocupluri în serie pentru a creşte sensibilitatea cu temperatura.
Termocuplul a fost descoperit în anul 1821 de J. Seebeck: dacă extremităţile a două fire din metale diferite sunt legate împreună pentru a forma o buclă, prin buclă va trece un curent electric când o joncţiune este la o temperatură diferită de cealaltă. Tensiunea ce dă curentul electric de termocuplu este direct proporţională cu diferenţa de temperatură între joncţiuni; constanta de proporţionalitate = coeficient Seebeck.
Joncţiunile calde (de măsurare) sunt pe o suprafaţă comună de absorbţie, subţire.
Joncţiunile calde (de măsurare) sunt pe o suprafaţă comună de absorbţie, subţire.
Joncţiunile reci sunt fixate pe un radiator comun cu masă termică mare.
Tehnologie: microprelucrarea Si prin fotolitografiere - joncţiunile calde în centrul membranei, joncţiunile reci pe partea superioară a substratului Si. Stratul absorbant de RO acoperă joncţiunile calde. Cipul senzor are un contact termic într-o capsulă metalică ermetică cu filtru integral pentru IR. Numărul maxim de elemente termoelectrice legate în serie este 40.
Materialele termoelectrice folosite: bismut şi antimoniu dopate cu Se sau Te, materiale semiconductoare (Si cristalin sau policristalin).
Rezistivitatea şi puterea termoelectrică depind de concentraţia dopanţilor.
compatibilitatea cu procesele CMOS,
fiabilitate,
stabilitate termică,
sensibilitate mare,
zgomot redus,
coeficient termoelectric mare,
conductivitate termică scăzută şi
rezistivitate de volum scăzută.
Se montează în capsulă cu termistor pentru temperatura ambiantă de referinţă.
Sensibilitatea este raportul între tensiunea de ieşire şi puterea optică incidentă.
Constanta de timp este durata răspunsului semnalului după o variaţie a puterii RO incidente, măsurată când semnalul are 63 % din valoarea finală. Tipic, 10 … 100 ms.
Constanta de timp este durata răspunsului semnalului după o variaţie a puterii RO incidente, măsurată când semnalul are 63 % din valoarea finală. Tipic, 10 … 100 ms.
Răspunsul în frecvenţă depinde de constanta de timp: 0 … 5Hz, 0 Hz … 10Hz.
RO afectează nu doar suprafaţa senzorului ci şi capsula; dacă şi capsula se încălzeşte, semnalul de ieşire eate afectat.
Acurateţea cea mai bună se obţine când RO este focalizată pe suprafaţa senzorului.
Alt factor ce afectează acurateţea măsurătorii este temperatura ambiantă. Pentru minimizarea acestui efect se folosesc tehnici electronice de compensare a temperaturii. Termopilele au coeficienţi de sensibilitate cu temp. de 0,01 .. 0,5 %/ K.
Fotodetectoare piroelectrice
Folosesc un element absorbant feroelectric cu moment de dipol electric intern permanent (dipolii atomici ai substanţei au direcţie preferenţială de polarizare, chiar în absenţa unui câmp electric).
La creşterea temperaturii, vibraţiile reţelei cristaline reduc polarizarea materialului până la dispariţia sa, la punctul Curie.
La temperatură fixă sub punctul Curie, polarizarea internă a materialelor feroelectrice nu se manifestă extern, fiind neutralizată de purtătorii de sarcină liberi din material sau din afara lui, care migrează la suprafeţe.
Dacă temperatura variază, sarcina electric variază la suprafaţă.
Pt. tensiune utilizabilă, se folosesc preamplificatoare de tensiune sau conv. I - U.
Amplitudinea semnalului depinde direct de:
- suprafaţa de absorbţie,
- coeficientul piroelectric (dP/dT) şi
- rezistenţa de sarcină.
Responsivitatea depinde de factorii termodinamici (emisivitate, capacitate calorică, conductivitate termică).
Absorbanţii feroelectrici sunt realizaţi din:
Absorbanţii feroelectrici sunt realizaţi din:
- materiale dielectrice fără simetrie centrală (niobat de Sr şi Ba şi tantalat de Li);
- gamă mare a temperaturii ambiante, fără răcire sau termostatare;
- cost scăzut;
- gama frecvenţelor de modulaţie a RO 1 … 60 Hz;
- se pot realiza preamplificatoare simple cu AO;
- nu au cerinţe speciale pentru sursa de alimentare.
Dezavantajele fotodetectoareior piroelectrice:
- răspund numai la variaţii ale nivelului RO;
- răspunsul în frecvenţă nu este plat, ducând la dificultăţi de interpretare a semnalului la ieşire;
- raportul semnal / zgomot este mai mic decât la alte fotodetectoare;
- toate dispozitivele piroelectrice sunt piezoelectrice, deci au un răspuns parazit la vibraţii;
- sunt afectate de variaţiile temperaturii ambiante şi de mişcările de aer;
- raportul semnal / zgomot scade la creşterea frecvenţei de modulaţie;
- frecvenţa maximă este de ordinul kHz.
Fotodetectorul piroelectric se conectează într-o structură care se comportă ca un radiator:
La frecvenţe de modulaţie foarte mari structura nu are nici un efect deoarece căldura absorbită nu are timp să părăsească fotodetectorul.
La frecvenţe de modulaţie mici, semnalul de ieşire scade spre zero deoarece căldura generată de RO este preluată de radiator în loc să crească temperatura fotodetectorului.
Bolometre
Bolometrele folosesc variaţia rezistenţei electrice a materialelor expuse la RO.
Primul bolometru realizat în 1880 de Langley folosea un element absorbant din Pt înnegrită, în punte Wheatstone. Rezistenţa electrică a bolometrului creşte când platina absoarbe energia RO.
Tipurile moderne de bolometre au două elemente absorbante împerecheate, montate în braţe opuse ale punţii:
Un element absorbant nu este expus la RO şi compensează variaţiile temperaturii ambiante. Se folosesc diverse materiale absorbante, chiar şi termistoare (oxizi de Ni, Mn şi Co cu capacitate calorică mică şi coeficient de temperatură mai mare decât metalele pure ca Pt sau Ni). Coeficientul de temperatură al metalelor e aprox. 0,005/ °C la temperatura camerei, coeficientul de temperatură al termistoarelor e aprox. - 0,06/ °C, mai bun ca al metalelor. Coeficientul de temperatură negativ al termistoarelor este la fel ca la semiconductoare. Ca elemente absorbante se folosesc semiconductoare intrinseci şi extrinseci (Ge, Si, triseleniură de arseniu).
Funcţionarea criogenică a bolometrelor:
măreşte coeficientul de temperatură,
micşorează capacitatea calorică,
elimină sursele de zgomot dependente de temperatură (zgomotul Johnson),
cresc rezistenţa electrică şi
realizarea bolometrelor superconductoare (funcţ. la temp. de tranziţie a superconductoarelor, unde rezistenţa variază radical cu temperatura, având sensibilităţi foarte mari).
Dezavantaj: temperatura ambiantă trebuie controlată pentru a evita variaţiile mari ale rezistenţei.
- semnalele pot fi integrate pentru a obţine timpi mari de expunere.
Sunt două tipuri de astfel de suprafeţe:
a) Suprafeţe de fotodetectoare electronice
suprafeţe de fotodiode (fotodiode p-n polarizate invers din Si, fotodiode p-n nepolarizate din Ge sau fotodiode Schottky din PtSi);
suprafeţe de fotorezistoare, din Si extrinsec;
suprafeţe cu transfer de sarcină electrică (condensatoare MOS şi amplificatoare de sarcină MOS). Transferul de sarcină este transferul unei sarcini electrice mobile stocată într-un element semiconductor, spre un element de stocare similar din vecinătate, prin manipularea externă a valorii unor potenţiale. Sarcina electrică se transferă: prin cuplaj sau prin injecţie.
suprafeţe CMOS, compatibile cu tensiunile TTL.
b) Suprafeţe de fotodetectoare termice
Sunt folosite în domeniul IR, la temperatura camerei, depind de temperatură.
Sensibile la RO în gama 8 ... 14 nm, unde transmisia atmosferică este mai mare.
Se folosesc bolometrele şi fotodetectearele piroelectrice.
Avantaje: simplitate, funcţionare fără răcire, preţ scăzut. O cameră de luat vederi cu suprafeţe de bolometre poate fi folosită în aplicaţii de larg consum.
